SKKN Cách định hướng xác định công thức phân tử, công thức cấu tạo hợp chất hữu cơ từ đó hoàn thành sơ đồ phản ứng, giải một số bài tập ở mức độ vận dụng và vận dụng cao

PHẦN I: ĐẶT VẤN ĐỀ
1. Lí do chọn đề tài
1.1. Tính mới
– Trong hóa học hữu cơ từ một công thức phân tử có thể có nhiều đồng phân. Vậy làm thế nào để viết hết các đồng phân, trong các đồng phân đó ta chọn đồng phân nào để giải quyết phần còn lại của bài toán.
– Để hoàn thành một sơ đồ phản ứng khi các chất cho dưới ẩn X, Y, Z,…căn cứ vào đâu để ta xác định được X, Y, Z,…là vấn đề rất quan trọng.
1.2. Tính cải tiến
– Phân tích điểm mấu chốt trong sơ đồ phản ứng từ đó hoàn thành sơ đồ một cách nhanh nhất và chính xác nhất.
– Đưa ra cách viết đồng phân của các chất hữu cơ để từ đó học sinh viết được đúng số lượng đồng phân (không thừa và cũng không thiếu)
1.3. Đóng góp của đề tài
Trong những năm gần đây trong các đề thi học sinh giỏi, THPTQG, tốt nghiệp đều có câu hỏi liên qua đến xác định đồng phân, xác định công thức phân tử, hoàn thành sơ đồ phản ứng ở mức độ vận dụng và vận dụng cao. Trong khi đó nhiều học sinh có năng năng tốt nhưng không giải quyết được hoặc nếu giải quyết được thì cũng mất nhiều thời gian. Nguyên nhân là do đâu? và làm thế nào để giải quyết vấn đề này?
Để giải quyết những vấn đề nêu trên chúng tôi chọn đề tài ” Cách định hướng xác định công thức phân tử, công thức cấu tạo hợp chất hữu cơ từ đó hoàn thành sơ đồ phản ứng, giải một số bài tập ở mức độ vận dụng và vận dụng cao”
2. Mục đích nghiên cứu
Định hướng cho giáo viên và học sinh cách xác định công thức phân tử, công thức cấu tạo một cách nhanh và chính xác nhất.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
Trên cơ sở mục đích nghiên cứu, đề tài xác định nhiệm vụ nghiên cứu như sau:
– Nghiên cứu các vấn đề cơ sở lí luận liên quan đến đề tài
– Định hướng cho giáo viên và học sinh cách xác định công thức, hoàn thành sơ đồ và giải một số bài tập ở mức độ vận dụng và vận dụng cao.
– Tiến hành dạy bồi dưỡng cho học sinh tại đơn vị công tác và các đơn vị khác.
4. Phạm vi nghiên cứu
– Áp dụng đối với học sinh khối 11, 12 – ban cơ bản tại đơn vị công tác, trong năm học 2018 – 2019 đến nay.
– Định hướng cho giáo viên và học sinh cách dạy, cách học phần xác định công thức, hoàn thành sơ đồ phản ứng và giải bài tập.
5. Phương pháp nghiên cứu
Trong đề tài này, tôi tiến hành các phương pháp nghiên cứu sau: Phương pháp nghiên cứu tài liệu;  phương pháp phân tích, tổng hợp; phương pháp thống kê.
6. Những đóng góp của đề tài
– Cách viết chính xác số công thức cấu tạo của phân tử hợp chất hữu cơ, gốc hiđrocacbon.
– Cách xác định điểm mấu chốt của một sơ đồ phản ứng, từ đó hoàn thành nhanh và chính xác sơ đồ đó.
– Cách định hướng khi biết công thức phân tử căn cứ vào tính chất xác định công thức cấu tạo.
– Cách giải một số bài tập mức độ vận dụng và vận dụng cao.

PHẦN II: NỘI DUNG
2.1. Cơ sở lý luận
– Xác định công thức phân tử dựa vào tính chất hóa học là một trong những dạng bài toán thường gặp, tuy nhiên người giải thường thấy khó khăn là do không nắm bắt được điểm mấu chốt của bài toán.
– Xác định số đồng phân từ công thức phân tử là dạng bài toán quen thuộc, tuy nhiên người giải thường viết thiếu đồng phân mà không biết.
– Dạng bài toán từ công thức phân tử xác định công thức cấu tạo là dạng bài toán khó, đặc biệt hơn là các hợp chất có công thức chung là CxHyOzNt.
2.2. Nội dung
Dạng 1. Xác định công thức phân tử, công thức cấu tạo.
VD1. Hợp chất X (CnH10O5) có vòng benzen và nhóm chức este. Trong phân tử X, phần trăm khối lượng của oxi lớn hơn 29%. Lấy 1 mol X tác dụng hết với dung dịch NaOH dư, sản phẩm hữu cơ thu được chỉ là 2 mol chất Y. Cho các phát biểu sau:
(a) Chất X có ba loại nhóm chức.
(b) Chất X làm quỳ tím ẩm chuyển sang màu đỏ.
(c) Số mol NaOH đã tham gia phản ứng là 4 mol.
(d) Khi cho 1 mol X tác dụng hết với NaHCO3 (trong dung dịch) thu được 1 mol khí.
(e) 1 mol chất Y tác dụng vừa đủ với dung dịch chứa 2 mol HCl.
(g) Khối lượng chất Y thu được là 364 gam.
Số phát biểu đúng là
A. 4. B. 5. C. 3. D. 6.
Giải
– %mO2 =  .100 > 29   n>15,6  X chứa tối da 2 vòng benzen
– 1mol X + NaOH   2mol Y
Công thức cấu tạo của X là HO-C6H4-COO-C6H4-COOH
Phương trình hóa học
HO-C6H4-COO-C6H4-COOH + 4NaOH   2NaO-C6H4-COONa + 2H2O
(X)                                                                 (Y)
2NaO-C6H4-COONa + 2HCl  HO-C6H5-COOH + NaCl
(Y)
Tất cả các phát biểu trên đều đúng.
VD2. Cho 3 chất hữu cơ X, Y, Z (chứa C, H, O) đều có khối lượng mol bằng 82. Cho 1 mol mỗi chất X hoặc Y hoặc Z tác dụng với lượng dư dung dịch AgNO3 trong NH3 thấy: X và Z đều phản ứng với 3 mol AgNO3; Y phản ứng với 4 mol AgNO3. Xác định công thức cấu tạo của X, Y, Z. Biết X, Y, Z có mạch C không phân nhánh; X và Y là đồng phân của nhau. Xác định X, Y, Z và viết các phương trình hóa học xảy ra.
Giải
Gọi CT của X, Y, Z là CxHyOz   y ≤ 2x + 2
M = 12x + y + 16z = 82   16z < 82 – 13  z < 4,3125
* z = 1  12x + y = 66   cặp nghiệm thỏa mãn là x = 5, y = 6   CTPT là
C5H6O
* z = 2  12x + y = 50  cặp nghiệm thỏa mãn là x = 4, y = 2   CTPT là
C4H2O2
* z = 3  12x + y = 34   không có nghiệm thỏa mãn y ≤ 2x + 2   loại
* z = 4  12x + y = 18   không có nghiệm thỏa mãn y ≤ 2x + 2   loại
Vì X và Y là đồng phân của nhau, X, Y, Z có mạch C không phân nhánh, Cho 1 mol mỗi chất X hoặc Y hoặc Z tác dụng với lượng dư dung dịch AgNO3 trong
NH3 thấy X và Z đều phản ứng với 3 mol AgNO3; Y phản ứng với 4 mol AgNO3
Công thức cấu tạo của X, Y, Z và phương trình phản ứng X: CHC-CO-CHO
CHC-CO-CHO + 3AgNO3 + 4NH3 + H2O  CAg C-CO-COONH4
+ 3NH4NO3 + 2Ag
Y: OHC-C C-CHO
OHC-C CHO + 4AgNO3 + 6NH3 + 2H2O   NH4OOCC CCOONH4  +4NH4NO3+ 4Ag
Z: CH C-CH2-CH2-CHO
CHC-CH2-CH2-CHO + 3AgNO3 + 4NH3 + H2O
CAg C-CH2-CH2-COONH4 + 3NH4NO3 +2Ag
VD3. Este X đa chức, no, mạch hở có công thức phân tử dạng CnH8On. Xà phòng hoá hoàn toàn X bởi dung dịch NaOH dư thu được hỗn hợp Y gồm 2 muối E và F (ME < MF) của 2 axit cacboxylic hơn kém nhau 1 nguyên tử Cacbon và hỗn hợp ancol Z gồm hai chất G và T (MG < MT) cũng hơn kém nhau 1 nguyên tử cacbon trong phân tử.
a. Xác định công thức cấu tạo X, E, F, G, T.
b. Cho các phát biểu sau:
(1) Có hai công thức cấu tạo của E thỏa mãn sơ đồ trên.
(2) Các chất trong Y đều có khả năng tráng bạc.
(3) Từ etilen có thể tạo ra T bằng một phản ứng .
(4) Đốt cháy hoàn toàn F thu được hỗn hợp Na2CO3, CO2, H2O.
(5) Từ G điều chế axit axetic là phương pháp hiện đại.
Số phát biểu đúng là
A. 4. B. 5. C. 3. D. 2.
Giải
a.  CTPT của X là C6H8O6
Do X + NaOH thu được 2 muối hơn kém nhau 1 nguyên tử Cacbon và hai ancol hơn kém nhau 1 nguyên tử Cacbon. Nên công thức cấu tạo của X là: CH3-OOC-
COO-CH2-CH2-OOCH
Từ đó suy ra CTCT của E, F, G, T lần lượt là: CH3COONa, NaOOC-COONa,
CH3OH, C2H4(OH)2
b. Các phát biểu đúng là: (3), (5)
Dạng 2. Từ công thức phân tử xác định số đồng phân, xác định công thức cấu tạo dựa vào tính chất.
Đối với dạng câu hỏi này thì học sinh thường viết thiếu đồng phân, không xác định được công thức cấu tạo dẫn đến không giải quyết được phần tiếp theo của bài toán. Vậy người giáo viên khi dạy cần hướng dẫn như thế nào để học sinh viết đúng, đủ số lượng đồng phân. Theo tôi thì giáo viên cần thực hiện các bước sau:
1. Với hợp chất có công thức CxHyOzXt(x>0, y,z,t 0)
Bước 1: Tính độ bất bão hòa theo công thức
Bước 2: Định hướng cách viết
a. Với hợp chất có công thức CxHyXt
– Có các loại đồng phân: mạch C, vị trí liên kết bội (đôi, ba), hình học (ta không xét đồng phân quang học)
– Cách viết
Viết mạch cacbon sau đó điền vị trí liên kết bội, halogen sau đó xem trong các đồng phân đó thì đồng phân nào có đồng phân hình học.
VD1: Viết các đồng phân mạch hở của C4H6
Bước 1: Tính  chất này có 2 liên kết   có 2 liên kết đôi hoặc
1 liên kết ba
Bước 2: Viết các đồng phân ta viết như sau
+ Mạch không nhánh C-C-C-C sau đó điền vị trí liên kết đôi, ba sau đó điền H để đảm bảo hóa trị
+ Mạch nhánh C-C(C)-C  sau đó điền vị trí liên kết đôi, ba (nếu có) cuối cùng  điền H để đảm bảo hóa trị
+ Đồng phân hình học: Ta xem trong các đồng phân trên đồng phân nào có đồng phân hình học.
VD2: Viết các đồng phân mạch hở của C3H5Cl3
Bước 1: Tính  chất này không có liên kết  , mạch hở.
Bước 2: Viết các đồng phân ta viết như sau                  C-C-C sau đó điền vị trí Cl.
b.Với hợp chất có công thức CxHyOz
Bước 1:  Ta xem (z=1, 2, 3 , 4…), sau đó ta tính độ bất bão hòa, rồi tiếp theo xem nó thuộc vào loại hợp chất nào.
*CxHyO có thể có các loại hợp chất
– Ancol ( )
– Ete ( )
– Anđehit ( )
– Xeton ( )
– Phenol ( )
VD1. C4H10O    chỉ có ancol và ete
VD2. C4H6O    có ancol, anđehit, ete, xeton
* CxHyO2 có thể có các loại hợp chất
1- Ancol  2- Ete    2- Anđehit    4- Xeton
5- Este 6- Ancol-ete  7- Ancol -anđehit 8- Ancol-xeton
9- Anđehit-xeton 10- Xeton-ete
-………………
Tuy nhiên còn phụ thuộc vào các yếu tố khác để xác định số đồng phân.
VD1. Hợp chất hữu cơ A có công thức phân tử C7H8O, biết A phản ứng với dung dịch NaOH. Số đồng phân của A là
A. 4. B. 5. C. 3. D. 2.
Giải
Theo đề ra thì A phản ứng với dung dịch NaOH, mặt khác 1 phân tử A chứa 1 nguyên tử oxi nên A thuộc vào loại hợp chất phenol.
các đồng phân CH3-C6H4-OH(3đp: o,m,p). Vậy A có 3 đồng phân.
VD2. Hợp chất hữu cơ A có công thức phân tử C7H8O2, biết A phản ứng với dung dịch NaOH, A phản ứng với Na dư thí số mol H2 thu được bằng số mol A. Số đồng phân của A là
A. 6. B. 7. C. 8. D. 9.
Giải
– A + Na(dư)  H2. nH2 nA  A chứa 2 nhóm -OH hoặc 2 nhóm
-COOH hoặc 1 nhóm -OH và 1 nhóm -COOH
– Do A chứa 2 nguyên tử O, nên A chứa 2 nhóm -OH
– Mặt khác A phản ứng với dung dịch NaOH nên A có nhóm -OH gắn với
Cvòng benzen.
Các đồng:  HO-C6H4-CH2-OH(3đp: o,m,p); (HO)2C6H3-CH3(6đp).  Vậy A có 9 đồng phân.
VD3. Este X có công thức phân tử C8H8O2. Cho X tác dụng với dung dịch NaOH, thu được sản phẩm có hai muối. Số công thức cấu tạo của X thỏa mãn tính chất
trên
A. 6. B. 3. C. 4. D. 5.
Giải
– C8H8O2 là este đơn chức, nhưng khi phản ứng với dung dịch NaOH thu được hai muối, nên X là este của phenol.
– Công thức cấu tạo của X
HCOO-C6H4-CH3(3đp: o,m,p), CH3COO-C6H5
VD3. Cho este đa chức X (Có công thức phân tử C6H10O4) tác dụng với dung dịch NaOH, thu được sản phẩm gồm một muối của axit cacboxylic Y và một ancol Z.
Biết X không có phản ứng tráng bạc. Số đồng phân của X là
A. 4. B. 5. C. 3. D. 2.
– v+ =2, este này 2 chức, nên 2nằm trong 2 chức  X no, 2 chức, hở.
– X không có phản ứng tráng bạc, nên X không có dạng HCOO-
– Sản phẩm gồm một muối và một ancol nên X có dạng
+ Dạng 1: (RCOO)2R’   (CH3COO)2C2H4
+ Dạng 2: R(COOR’)2   (COOC2H5)2; C2H4(COOCH3)2 [gốc -C2H4- có 2 cấu tạo: -CH2-CH2- và -CH(CH3)-]. Vậy X có 4 đồng phân.
VD4. Thủy phân hoàn toàn chất hữu cơ E (C9H16O4, chứa hai chức este) bằng dung dịch NaOH, thu được sản phẩm gồm ancol X và hai chất hữu cơ Y, Z. Biết Y chứa 3 nguyên tử cacbon và MX < MY < MZ. Cho Z tác dụng với dung dịch HCl loãng, dư, thu được hợp chất hữu cơ T (C3H6O3). Cho các phát biểu sau:
(a) Khi cho a mol T tác dụng với Na dư, thu được a mol H2.
(b) Có 4 công thức cấu tạo thỏa mãn tính chất của E.
(c) Ancol X là propan-1,2-điol.
(d) Khối lượng mol của Z là 96 gam/mol.
Số phát biểu đúng là
A. 3. B. 4. C. 2. D. 1.
Giải
– v+ =2, este này 2 chức, nên 2nằm trong 2 chức no, 2 chức, hở. Do đó X, Y, Z đều no, hở.
– Z + HCl   T (C3H6O3)  Z chứa 1 nhóm -COONa  T chứa 1 nhóm –
COOH   Z có công thức: HO-C2H4-COONa(2đp)   T có công thức HO-C2H4COOH   phát biểu (a) đúng.
– Y chứa 3 nguyên tử cacbon, Z có công thức: HO-C2H4-COONa(có 3 cacbon)   X ancol, chứa 3 nguyên tử cacbon   công thức của X C3H7OH (2đp)   CTCT của E là: C2H5COO-C2H4-COO-C3H7(4đp vì -C2H4- 2đp; C3H7- 2đp).
Vậy phát biểu (a), (b) đúng.
VD5. Este X có công thức phân tử C6H10O4. Xà phòng hóa hoàn toàn X bằng dung dịch NaOH, thu được ba chất hữu cơ Y, Z, T. Biết Y tác dụng với Cu(OH)2 tạo dung dịch màu xanh lam. Nung nóng Z với hỗn hợp rắn gồm NaOH và CaO, thu được CH4. Cho các phát biểu sau:
(a) X có 3 công thức cấu tạo phù hợp.
(b) Chất T có khả năng tham gia phản ứng tráng bạc.
(c) Z không làm mất màu dung dịch brom.
(d) Y và glixerol thuộc cùng dãy đồng đẳng.
Số phát biểu đúng là
A. 3. B. 4. C. 2. D. 1.
– v+ =2, este này 2 chức, nên 2nằm trong 2 chức  no, 2 chức, hở.
Do đó Y, Z, T đều no, hở   phát biểu (c) đúng
– Y +  Cu(OH)2   dung dịch xanh lam, nên Y là ancol no, 2 chức, hở   phát biểu (d) sai. X có dạng: RCOO-R’-OOC-R”
– Z + NaOH  CH4, nên Z có dạng CH4-x(COONa)x. Nhưng do X có dạng trên, nên Z là: CH3COONa.
Căn cứ vào CTPT của X và các điều trên X có các đồng phân
HCOO-CH2       CH3OO-CH2
CH3COO-CH         HCOO-CH
CH3                         CH3

Qua 2 đồng phân của X phát biểu (a) sai, (b) đúng.
VD6. Chất X là một loại thuốc cảm có công thức phân tử C9H8O4. Cho 1 mol X phản ứng hết với dung dịch NaOH thu được 1 mol chất Y, 1 mol chất Z và 2 mol H2O. Nung Y với hỗn hợp CaO/NaOH thu được CH4. Chất Z phản ứng với dung dịch H2SO4 loãng dư thu được hợp chất hữu cơ tạp chức T không có khả năng tráng gương. Có các phát biểu sau:
(a) Chất X phản ứng với NaOH (t°) theo tỉ lệ mol 1 : 2.
(b) Chất Y có tính axit mạnh hơn H2CO3.
(c) Chất Z có công thức phân tử C7H4O4Na2.
(d) Chất T không tác dụng với CH3COOH nhưng có phản ứng với CH3OH
(H2SO4 đặc, to).
Số phát biểu đúng là
A. 1. B. 2. C. 3. D. 4.
Giải
– v+ =6
– Y + NaOH(rắn)  CH4  Y có thể là CH3COONa hoặc CH2(COONa)2, không thể là CH(COONa)3 và C(COONa)4 vì nếu thế thì X chứa 6 và 8 nguyên tử oxi.
– X không thể axit 2 chức (vì lúc này X+ NaOH chỉ thu được muối và nước), mặt khác 1 mol X + NaOH  2 mol H2O.
Từ các yếu tố trên suy ra X là: CH3COO-C6H4-COOH (3đp: o,m,p).
Các phương trình phản ứng
CH3COO-C6H4-COOH  + 3NaOH  CH3COONa + NaO-C6H4-COONa +
2H2O                                                                    (Y)                    (Z)
NaO-C6H4-COONa  + H2SO4  Na2SO4 + HO-C6H4-COOH
(T)
chỉ có phát biểu (d) đúng.
VD7. Este X hai chức có công thức phân tử C5H8O4. Thủy phân hoàn toàn X trong dung dịch NaOH đun nóng, thu được ancol Y và hỗn hợp Z gồm hai muối. Axit hóa Z thu được hai chất hữu cơ E và F có cùng số nguyên tử cacbon.
Phát biểu nào sau đây đúng?
A. E và F là hợp chất hữu cơ tạp chức.
B. Y, E và F có cùng số nguyên tử hiđro.
C. E và F là đồng phân cấu tạo của nhau.
D. Y là ancol no, hai chức, mạch hở.

v+ =2, este này 2 chức, nên 2 nằm trong 2 chức  X no, 2 chức, mạch hở
– X + NaOH   ancol Y + 2 muối nên X có dạng RCOO-R’-OOCR” hoặc RCOO-R’-COO-R”. Do axit hóa 2 muối thu được E, F cùng C và số C trong
X=5 nên X phải có dạng  RCOO-R’-COO-R”   CTCT của X là CH3COO-CH2-
COO-CH3   CTCT của Y, E, F là: CH3OH, CH3COOH,
HO-CH2-COOH
chọn đáp án B
VD8. Este X đa chức, no, mạch hở có công thức phân tử dạng CnH8On. Xà phòng hoá hoàn toàn X bởi dung dịch NaOH dư thu được hỗn hợp Y gồm 2 muối E và F (ME < MF) của 2 axit cacboxylic hơn kém nhau 1 nguyên tử Cacbon và hỗn hợp ancol Z gồm hai chất G và T (MG < MT) cũng hơn kém nhau 1 nguyên tử cacbon trong phân tử. Cho các phát biểu sau:
(a) Có hai công thức cấu tạo của E thỏa mãn sơ đồ trên.
(b) Các chất trong Y đều có khả năng tráng bạc.
(c) Từ etilen có thể tạo ra T bằng một phản ứng .
(d) Đốt cháy hoàn toàn F thu được hỗn hợp Na2CO3, CO2, H2O.
(e) Từ G điều chế axit axetic là phương pháp hiện đại.
Số phát biểu đúng là
A. 3.  B. 1. C. 2. D. 4.
Giải
– Do X đa chức nên n4
+ TH1: n=4  CTPT C4H8O4    =1 loại (vì este 2 chức, no nên  =2)
+ TH2: n=6   CTPT C6H8O6    =3. Theo bài ra X có dạng
RCOO-R1-OOC-R2-COO-R3.  Do 2 muối hơn kém nhau 1 C, 2 ancol hơn kém nhau 1 C nên công thức cấu tạo của X là:
HCOO-C2H4-OOC-COO-CH3 + 3NaOH  HCOONa + NOOC-COONa +
C2H4(OH)2 + CH3OH                                              (E)                   (F)        (T)              (G)
+ TH3: n=8   CTPT C8H8O8    =5 loại vì lúc này este không no.
phát biểu (c), (g) đúng.
VD9. Hợp chất X chứa vòng benzen và có công thức phân tử C9H8O2. X tác dụng dễ dàng với dung dịch brom thu được chất Y có công thức phân tử là C9H8O2Br2.
Mặt khác, cho X tác dụng với NaHCO3 thu được muối Z có công thức phân tử là
C9H7O2Na. Số đồng phân cấu tạo của X là
A. 6. B. 3. C. 4. D. 5.
Giải
– v+ = 6, vòng benzen có v+= 4  X còn 2
– C9H8O2 + Br2   C9H8O2Br2   X có 1  ở mạch nhánh -CH=CH2
– C9H8O2 + NaHCO3   C9H7O2Na  X có 1 nhóm – COOH
CTCT X: CH2=CH-C6H5-COOH(3đp: o,m,p)
VD10. Este X có công thức phân tử C8H12O4, Xà phòng hóa hoàn toàn X bằng dung dịch NaOH, thu được hỗn hợp hai muối của hai axit hữu cơ mạch hở X1, X2 đều đơn chức và một ancol X3. Biết X3 tác dụng với Cu(OH)2 tạo dung dịch màu xanh lam; X1 có phản ứng tráng bạc và X2 không no, có mạch cacbon phân nhánh.
Số đồng phân cấu tạo thỏa mãn của X là
A. 7. B. 4. C. 5. D. 6.
Giải
– v+ = 3   X no chứa 1 vòng hoặc không no có 1 nối đôi C=C
– X + NaOH   2muối đơn chức và ancol + Cu(OH)2 tạo dung dịch xanh lam   X có dạng RCOO-R’-OOCR”